Materiaalivalintojen vaikutus mikrokaasuturbiinin

Materiaalivalintojen vaikutus mikrokaasuturbiinin

Lappeenrannan teknillinen yliopisto
School of Energy Systems
Energiatekniikan koulutusohjelma
BH10A0201 Energiatekniikan kandidaatintyö ja seminaari
Materiaalivalintojen vaikutus mikrokaasuturbiinin
suorituskykyyn
Effect of material selections on performance of micro
gas turbine
Lappeenranta 2.12.2015
Mika Roitto
TIIVISTELMÄ
Mika Roitto
Materiaalivalintojen vaikutus mikrokaasuturbiinin suorituskykyyn
School of Energy Systems
Energiatekniikan koulutusohjelma
Kandidaatintyö 2015
30 sivua, 8 kuvaa ja 2 taulukkoa.
Hakusanat: mikrokaasuturbiini, turbiini, rekuperaattori, lämmönjohtuminen, materiaali
Mikrokaasuturbiini on potentiaalinen vaihtoehto hajautettuun energiantuotantoon. Laitteessa erityisesti turbiinin ja rekuperaattorin materiaalivalinnoilla on merkittävä vaikutus siitä saatavaan suorituskykyyn.
Kandidaatintyössä tarkastellaan mikrokaasuturbiinin turbiinin ja rekuperaattorin materiaalivalintoja ja niiden vaikutusta laitteen suorituskykyyn. Lisäksi työssä pohditaan materiaalivalintoihin läheisesti yhteydessä olevaa lämmönjohtumista mikrokaasuturbiineissa. Suorituskyvyssä kiinnitetään erityisesti huomiota laitteen sähköntuotannon hyötysuhteeseen, luotettavuuteen ja käyttöikään vaikuttaviin tekijöihin. Työssä käydään
läpi sekä kaupallisissa mikrokaasuturbiineissa käytettäviä että tutkimusten kohteina olevia materiaaleja turbiinin ja rekuperaattorin osalta. Työn tavoitteena on tuottaa kokonaiskuva materiaalivalintojen tekemisestä ja tehtyjen valintojen vaikutuksista mikrokaasuturbiineissa.
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ
2
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
4
1 JOHDANTO
5
2 MIKROKAASUTURBIININ TOIMINTA
7
2.1 Prosessin periaate ja pääkomponentit........................................................ 7
2.2 Prosessin hyötysuhteet .............................................................................. 9
2.3 Mahdolliset polttoaineet .......................................................................... 10
2.4 Haasteet korkean suorituskyvyn tavoittelussa ......................................... 10
3 TURBIINI
12
3.1 Käytetyt turbiinityypit ja turbiinin erityispiirteet .................................... 12
3.2 Turbiinin materiaalivalinnat .................................................................... 13
3.2.1 Metalliset turbiinit ....................................................................... 14
3.2.2 Keraamiset turbiinit..................................................................... 16
3.2.3 Pinnoitetut turbiinit ..................................................................... 17
4 REKUPERAATTORI
20
4.1 Rekuperaattorityypit ................................................................................ 20
4.2 Rekuperaattorin sisääntulolämpötila ....................................................... 21
4.3 Rekuperaatioaste ..................................................................................... 22
4.4 Rekuperaattorin materiaalivalinnat ......................................................... 23
4.4.1 Metalliset rekuperaattorit ............................................................ 23
4.4.2 Keraamiset rekuperaattorit .......................................................... 25
5 LÄMMÖNJOHTUMINEN MIKROKAASUTURBIINEISSA
27
6 YHTEENVETO
29
LÄHDELUETTELO
31
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
Roomalaiset aakkoset
ominaislämpökapasiteetti [kJ/kgK]
entalpia [kJ/kg]
materiaalin lämmönjohtavuus [W/mk]
paine [Pa], [bar]
aineen kaasuvakio [kJ/kgK]
lämpötila [K], [°C]
Kreikkalaiset aakkoset
lämpöteho [W]
rekuperaatioaste [-], [%]
hyötysuhde [-], [%]
Alaindeksit
2
kompressorin jälkeinen
2´
rekuperaattorin jälkeinen ilma
3
turbiinia edeltävä
4
turbiinin jälkeinen
el
sähkö
gen
generaattori
k
kompressori
mek
mekaaninen
p
polytrooppinen
pk
polttokammio
pt
polytrooppinen
t
turbiini
th
terminen
5
1
JOHDANTO
Hajautettu energiantuotanto on maailman laajuisesti kasvava teknologian ala. Sen ominaispiirteinä ovat energiantuotanto käyttökohteen lähellä ja verrattain pienet energiantuotantolaitokset (Motiva 2010, 6).
Mikrokaasuturbiinit ovat yksi mahdollisuus paikalliseen pienimuotoiseen energiantuotantoon. Niillä pystytään tuottamaan hyvin monenlaisilla polttoaineilla joko sähköä, tai
sähköä ja lämpöä yhteistuotannossa. Mikrokaasuturbiinien sähköntuotannon hyötysuhde
on kuitenkin jäänyt teollisen kokoluokan vastaaviin verrattaessa vaatimattomaksi ja
yksikkökustannukset ovat vielä korkeat. Tulevaisuuden mikrokaasuturbiinien hyötysuhdetta kuitenkin tavoitellaan kehittää nykyisten laitteiden noin 30 %:sta teollisen kokoluokan vastaavien tasolle, noin 40 %:iin. Lisäksi laitteen yksikkökustannusten on arvioitu laskevan tulevaisuudessa merkittävästi (Vartiainen et al. 2002, 20).
Tällä hetkellä Diesel- ja Ottomoottorit dominoivat pienien generaattorisettien markkinoita. Näiden on arvioitu säilyttävän dominoivan asemansa vielä pitkään. Kasvaville
markkinoille kehitetään kaasuturbiinien lisäksi myös muita vaihtoehtoja kuten polttokennoja ja Stirling-moottoreita. (McDonald 2007, 60.) Voidaan siis todeta, että vaatimukset suorituskyvylle ja kilpailukyvylle tulevat vuosien saatossa vielä kasvamaan,
jotta mikrokaasuturbiinit pääsisit valtaaman alaa markkinoista.
Merkittävä tapa parantaa mikrokaasuturbiinin hyötysuhdetta on kasvattaa turbiinin sisääntulolämpötilaa. Tässä lämpötilan kasvatuksessa olennaisessa asemassa ovat turbiinissa ja turbiinin jälkeisessä rekuperaattorissa käytettävät materiaalit. (McDonald ja
Wilson 1995, 635.)
Kandidaatintyössä pohditaan mikrokaasuturbiinin turbiinin ja rekuperaattorin mahdollisia materiaalivaihtoehtoja ja näiden materiaalivalintojen vaikutusta koko laitteen suorituskykyyn. Suorituskyvystä kiinnitetään erityisesti huomiota laitteesta saatavaan sähköntuotannon hyötysuhteeseen, sekä laiteen käyttöikään ja luotettavuuteen. Lisäksi materiaalivalinnoista aiheutuvat valmistuskustannukset otetaan vertailussa huomioon.
Työssä pohditaan materiaalivalintojen osalta sekä kaupallisissa mikrokaasuturbiineissa
6
käytettyjä ratkaisuja että tutkittuja ja mahdollisia tulevaisuuden materiaaleja. Työn tavoitteena on tuottaa kokonaiskuva materiaalivalintojen tekemisestä ja tehtyjen valintojen vaikutuksista mikrokaasuturbiineissa.
Työ käsittää mikrokaasuturbiinin toiminnan tarkastelun, turbiinin ja rekuperaattorin
tarkastelun, näissä käytettyjen materiaalien tarkastelun sekä materiaalivalintojen perustelun. Lisäksi pohditaan materiaalivalintojen vaikutusta lämmönsiirtoon komponenttien
välillä.
7
2
MIKROKAASUTURBIININ TOIMINTA
Mikrokaasuturbiineissa on teollisen kokoluokan kaasuturbiineihin verrattaessa paljon
yhteistä, mutta myös eroavaisuuksia löytyy. Tässä luvussa esitetään mikrokaasuturbiinin pääkomponentit, prosessin periaate, mahdolliset polttoaineet ja prosessin hyötysuhteet. Lisäksi pohditaan laitteen haasteita korkean suorituskyvyn tavoittelussa.
2.1
Prosessin periaate ja pääkomponentit
Perinteiseen kaasuturbiiniin kuuluu kolme pääkomponenttia; kompressori, turbiini ja
polttokammio. Mikrokaasuturbiineissa on useasti näiden komponenttien lisäksi myös
muita osia, esimerkiksi pakokaasun hukkalämpöä talteen ottava rekuperaattori tai regeneraattori. ICR-kaasuturbiiniin (engl. intercooled and recuperated) kuuluu näiden
lisäksi kompressorin välijäähdytys. (Backman ja Larjola 2002, 5-8.) Kuvassa 1 on periaatteellisesti esitetty perinteisen teollisen kokoluokan kaasuturbiinin ja rekuperaattorilla
varustetun mikrokaasuturbiinin ilman ja pakokaasun kierto komponenttien välillä.
Kuva 1. Perinteisen ja rekuperoidun kierron kaasuturbiinien periaatekuvat. Ylempänä perinteinen ja alempana rekuperaattorilla varustettu kaasuturbiini.
8
Kuvan 1 periaatekuviosta nähdään rekuperaattorin aiheuttama ilman ja pakokaasun monimutkaisempi kierto mikrokaasuturbiinissa verrattuna perinteiseen kaasuturbiiniin.
Kaasuturbiiniprosessin
tavoin
mikrokaasuturbiinin
prosessi
perustuu
prosessiin. Kompressorilla ilma puristetaan korkeaan paineeseen.
Brayton-
Polttokammiossa
syötetään polttoainetta, joka kompressorilla puristetun ilman avulla palaa korkealämpötilaiseksi pakokaasuksi. Pakokaasu johdetaan turbiiniin, jossa pakokaasun sisältämä
energia muunnetaan paisuntaprosessissa akselin mekaaniseksi energiaksi. Akselin mekaanisesta energiasta osa käytetään kompressorin pyörittämiseen ja loput saadaan hyödynnettyä joko sähköenergiaksi tai mekaaniseksi energiaksi.
Mikrokaasuturbiineissa käytettävä paine on teollisen kokoluokan vastaaviin verrattuna
pieni, tyypillisesti 3-5 baaria (Backman ja Larjola 2002, 7). Pieni paine aikaansaa korkean turbiinin jälkeisen lämpötilan, jolloin tämän hukkalämmön talteenotto esimerkiksi
rekuperaattorilla on välttämätöntä pyrittäessä korkeisiin hyötysuhteisiin (Visser et al.
2011, 2). Rekuperaattorin avulla saadaan otettua pakokaasun hukkalämpöä talteen
kompressorin jälkeiseen ilmaan, jolloin polttokammiossa tarvitaan vähemmän polttoainetta tuottamaan tarvittu pakokaasun lämpötila ennen turbiinia. (Backman ja Larjola
2002, 6-8.)
Kuva 2 esittää rekuperaattorilla varustetun sähköteholtaan 7 kW:n mikrokaasuturbiinin
suunnitellun rakenteen. Kuvasta käy ilmi myös laitteen kokoluokka.
9
Kuva 2. Rekuperaattorilla sekä radiaalisella kompressorilla ja -turbiinilla varustetun mikrokaasuturbiinin rakennekuva (Mcdonald ja Rodgers 2007, 69).
Rekuperoidun kierron lisäksi mahdollisia muita kiertovaihtoehtoja ovat myös esimerkiksi jälkipoltollinen kierto, erilaiset kombikierrot ja ulkoista polttokammiota käyttävä
mikrokaasuturbiini. Erilaisia kiertovaihtoehtoja on kehitelty lukuisasti, mutta tässä työssä keskitytään lähinnä rekuperaattorilla varustettuihin mikrokaasuturbiineihin.
2.2
Prosessin hyötysuhteet
Brayton-prosessissa terminen eli teoreettinen hyötysuhde
lasketaan yhtälöllä (1)
(Backman ja Larjola 2002, 27).
(1)
,missä
turbiinista saatava teho [W]
kompressorin vaatima teho [W]
polttokammioon tuotu lämpöteho [W]
Sähköntuotannon hyötysuhteessa
huomioidaan mekaaniset häviöt ja generaattorin
häviöt. Se lasketaan yhtälöllä (2) (Backman ja Larjola 2002, 27).
10
(2)
,missä
mekaaniset häviöt huomioiva hyötysuhde
generaattorin häviöt huomioiva hyötysuhde
2.3
Mahdolliset polttoaineet
Käytettävien polttoainevaihtoehtojen lukumäärä kaupallisissa mikrokaasuturbiineissa on
suuri. Polttoaineet voivat olla joko kaasumaisessa muodossa tai nesteenä. Polttoainevaihtoehtoja mikrokaasuturbiineissa ovat esimerkiksi maakaasu, biokaasu, nestekaasu,
diesel ja lentopetroli (Capstone Turbine Corporation).
Biokaasu on uusiutuvana polttoaineen ympäristön kannalta kiinnostava polttoaine. Biokaasulla lämpöarvo on kuitenkin maakaasua matalampi ja riippuvainen tuotannon raaka-aineista, sekä tuotantotavasta. Tämä tuo lisähaasteita pyrittäessä poltossa pieniin
NOx -päästöihin sekä korkeaan polton hyötysuhteeseen. (Adachi et al. 2006, 3132.)
Myös poltossa syntyvien savukaasujen koostumus on eri polttoaineilla erilainen. Tällä
puolestaan on vaikutusta polttokammion jälkeisiin osiin, turbiiniin ja rekuperaattoriin.
Mikäli tulevaisuudessa käytetään vaihtoehtoisia polttoaineita, kuten kaatopaikkakaasua,
voi polttoaineen sisältämä suurempi määrä rikkiä tai klooria yhdessä vesihöyryn kanssa
aiheuttaa materiaalien hapettumisen kestävyydelle lisähaasteita. (Maziasz et. al 2006,
3622.)
2.4
Haasteet korkean suorituskyvyn tavoittelussa
Tavoiteltaessa korkeaa sähköntuotannon hyötysuhdetta, mikrokaasuturbiinin pienestä
koosta aiheutuu tiettyjä ongelmia verrattuna teollisen kokoluokan kaasuturbiineihin.
Kaupallisten rekuperatiiviseen kiertoon perustuvien mikrokaasuturbiinien sähköntuottohyötysuhde on jäänyt noin 30 %:iin, kun teollisen kokoluokan kaasuturbiineilla vastaava luku on noin 40 % (Backman ja Larjola 2002, 4). Jotta mikrokaasuturbiineilla voitaisiin päästä vastaaviin hyötysuhteisiin täytyvät nämä häviöt minimoida, tai tavalla tai
toisella kompensoida.
11
Pienillä kaasuturbiinilla hyötysuhdetta heikentää aerodynaamisesti kompressorin ja turbiinin siipien matala korkeus, pieni Reynoldsin luku, osien suhteellisesti suurempi välys
ja osien valmistustoleranssit, sekä pinnan viimeistely. Ilmiö korostuu mitä pienempiin
mikrokaasuturbiineihin mennään. (McDonald 2007, 63.)
Turbiinin sisääntulolämpötilat ovat mikrokaasuturbiineilla jääneet teollisen kokoluokan
vastaaviin verrattuna huomattavasti pienemmäksi. Tällä hetkellä kaupallisissa 100 kW:n
kokoluokan mikrokaasuturbiineissa turbiinin sisääntulolämpötilat ovat noin 950 °C, kun
teollisen kokoluokan kaasuturbiineissa lämpötilat voivat olla jopa 1400 °C (Ansaldo
Energia), (Backman ja Larjola 2002. 5).
12
3
TURBIINI
Turbiinin materiaalivalinnalla on merkittävä vaikutus mikrokaasuturbiinin suorituskykyyn, koska materiaalivalinta pääosin määrittää turbiinin suurimman mahdollisen sisääntulolämpötilan, eli turbiinin korkeimman lämpötilan. Turbiinin sisääntulolämpötilalla puolestaan on suorituskykyyn merkittävä vaikutus (Backman ja Larjola 2002, 5).
Kuvassa 3 on esitetty laskennallisesti termistä hyötysuhdetta painesuhteen funktiona
turbiinin sisääntulolämpötilan ollessa parametrina rekuperoidun kierron kaasuturbiineilla. Kuvasta huomataan turbiinin sisääntulolämpötilan voimakas vaikutus laitteen termiseen hyötysuhteeseen. Rekuperoidulla kierrolla korkeat termiset hyötysuhteet saavutetaan matalalla, alle 5 painesuhteella ja korkealla turbiinin sisääntulolämpötilalla.
Kuva 3. Terminen hyötysuhde painesuhteen funktiona rekuperoidulla kierrolla. Parametrina
turbiinin sisääntulolämpötila TIT. Kuvassa esitetty myös kuvitteellisen turbiinin jäähdytyksen
vaikutus (Cool 4 %). (Backman ja Larjola 2002, 31.)
3.1
Käytetyt turbiinityypit ja turbiinin erityispiirteet
Virtaustyypiltään radiaaliturbiini on usein katsottu aksiaaliturbiinia paremmaksi vaihtoehdoksi pienissä, alle 100 kW:n kaasuturbiineissa, kun tavoitteena on mahdollisimman
hyvä valmistuskustannusten ja suorituskyvyn suhde. Etuina ovat myös yksinkertaisuus,
sekä asennettavuus. Myös radiaali- ja aksiaaliturbiinin välimuoto, sekaturbiini (engl.
mixed flow) on katsottu soveltuvaksi turbiinityypiksi. (McDonald ja Rodgers 2007, 65.)
13
Radiaaliturbiinia vastaavalla isentrooppisella hyötysuhteella toimivalla aksiaaliturbiinilla on kuitenkin pienempi halkaisija ja kehänopeus, jolloin myös rasitukset ovat pienempiä. (Mcdonald ja Rodgers 2007, 65.)
Tämän päivän mikrokaasuturbiinit toimivat pääsäntöisesti kierrosnopeusvälillä 60000150000 rpm. Pyörimisnopeuden valinnassa saatetaan joutua tekemään kompromissi
kompressorin ja turbiinin aerodynamisessa optimoinnissa. (McDonald ja Rodgers 2007,
66.)
Mikrokaasuturbiinissa luonnollisesti myös komponentit ovat perinteisiä teollisen kaasuturbiinin komponentteja huomattavasti pienempiä. Tästä aiheutuu tiettyjä ongelmia kaasuturbiinin suunnittelussa. Esimerkiksi erittäin pienen radiaaliturbiinin jäähdytys on
hankalampaa toteuttaa kuin suuren kokoluokan aksiaaliturbiinin, eikä jäähdytystä kaupallisissa mikroturbiineissa toteutetakaan. Tällöin jotta päästäisiin korkeampiin turbiinin
sisääntulolämpötiloihin ja sitä kautta korkeampaan hyötysuhteeseen, joudutaan etsimään korkeamman lämpötilan kestäviä materiaaleja. (McDonald 2003, 1464.)
Tässä jäähdytyksen puuttumisessa voidaan nähdä myös positiivisia puolia. Turbiinin
jäähdytys vaatii ilmaa kompressorilta ja aiheuttaa näin laitteen hyötysuhdetta heikentävän energiahäviön (kuva 3). Nykyaikaisilla keraamisilla komponenteilla jäähdytys olisi
mahdollista jättää pois turbiinin rakenteesta myös korkeammilla lämpötiloilla, jolloin
terminen hyötysuhde kasvaisi myös tämän johdosta. (Sakakida et al. 1994, 2.) Jäähdytyksen vaikea toteuttaminen voi olla siis myös ajavana tekijänä korkean lämpötilan materiaalien kehittämisessä ja virtauksen toteuttamisessa mikrokaasuturbiineissa.
3.2
Turbiinin materiaalivalinnat
Pelkkä materiaalin kyky selviytyä eheänä tietyssä korkeassa lämpötilassa ei ole riittävä
mittari turbiinin materiaalin ja rakenteen suunnittelussa. Erityisesti täytyy huomioida
materiaalin rakenteellinen lujuus liikkeen ja lämpötilan yhdessä aikaansaamassa rasituksessa, turbiinin aerodynaaminen suorituskyky, sekä rasituksia osaltaan lisäävä paino (Fu
et al. 2014, 41). Huomioitavaa on myöskin turbiinin käyttöikä. Turbiinimateriaalilla
14
täytyy olla hyvä virumisen kesto, sekä hyvä vastustuskyky hapettumista ja korroosiota
vastaan.
3.2.1
Metalliset turbiinit
Mikrokaasuturbiinien turbiinimateriaaleina käytettävät metalliseokset ovat ns. superseoksia. Superseoksia ovat nikkeli-, rauta-nikkeli- ja kobolttipohjaiset yhdisteet, joita käytetään yli 540 °C lämpötilassa. Rauta-nikkelipohjaiset superseokset ovat useimmiten
taottuja. Nikkeli-, sekä kobolttipohjaiset superseokset voivat olla joko taottuja tai valettuja. (Donachie ja Donachie 2002, 2.)
Kuvassa 4 on kuvattu superseosten kehittymistä 60 vuoden ajalta niiden ilmaantumisesta 1940-luvulta lähtien. Kuvasta voidaan havaita superseosten virumisenkestolämpötilan
johdonmukainen kasvu. Kasvunopeus on kuitenkin kuvan mukaan hidastunut superseosten kehityksen alkuaikoihin verrattuna.
Kuva 4. Superseosten kehittyminen niiden alkuajoilta 1940-luvulta 2000-luvun puoleen väliin
(Reed 2006, 19).
15
Rauta-nikkelipohjaisten superseosten kehitys on aikoinaan lähtenyt ruostumattoman
teräksen lujuuden kehittämisestä korkeisiin lämpötiloihin. Niitä ei voida käyttää aivan
yhtä korkeissa lämpötiloissa kuin nikkeli- tai kobolttipohjaisia seoksia, mutta niiden
kustannukset ovat huomattavasti alhaisemmat. Nikkeli ja koboltti, sekä seosteina käytetyt kromi, volframi, molybdeeni, renium, hafnium jne. ovat usein kalliita metalleja. Niiden saatavuus ja hinta voivat myös vaihdella ajan mukaan paljon. (Donachie ja Donachie 2002, 1,8.)
Superseoksista kaikkein korkeimmille lämpötiloille päästään nikkelipohjaisilla superseoksilla (Donachie ja Donachie 2002, 8). Nikkelipohjaisella, valetulla, Inconel 713C superseoksella voidaan saavuttaa erinomainen lujuus jopa 1000 °C:n lämpötilaan asti.
Sen etuina ovat erinomaiset valettavuus, hapettumiskestävyys, lämpöväsymisen kestävyys, sekä rakenteellinen vahvuus. Näiden ominaisuuksien ansiosta se onkin ollut turbiinin materiaalina hyvin tavanomainen. (Visser et al. 2011, 1.), (Nickel Institute, 3.)
Kuvassa 4 uusimpana ja lämmönsiedoltaan parhaimmalla nikkelipohjaisella materiaalilla TMS-162 on hyvin stabiilina pysynyt mikrorakenne vielä 1000 tunnin ja 1100 °C:n
lämpötilan virumisenkestotestin jälkeen.
Turbiinin kestävyyden ja pitkäikäisyyden kannalta on tärkeää materiaalin hapettumiskestävyys. Hapettumista voidaan selvittää altistamalla testikappale materiaalia haluttuun
korkeaan lämpötilaan ja mittaamalla massanmuutoksia pinta-alaa kohden analyysikappaleessa. Koe voidaan tehdä pitämällä lämpötila vakiona tietyn ajan, tai esimerkiksi
toistuvilla tunnin mittaisilla rasitustesteillä, jolloin kappaleen annetaan jäähtyä välissä.
(Sato et al. 2008, 136.) Kuvassa 5 on esitetty TMS-196 ja muutaman muun kehittyneen
turbiinimateriaalin 1000 tunnin isoterminen hapettumistesti 900 °C:n lämpötilassa.
16
Kuva 5. Eräiden kehittyneiden turbiinimateriaalien 1000 tunnin ja 900 °C:n lämpötilan isotermisen hapettumistestin tulokset (Sato et al. 2008, 136)
Viimevuosikymmenellä käytössä olleet kokonaan metalliset, rekuperoidut, kokoluokaltaan 30-100 kW:n kaasuturbiinit ovat toimineet noin 30 %:n hyötysuhteella. 100 kW:n
kokoluokassa hyötysuhdetta 35 % on pidetty saavutettavana käytännön ylärajana sen
hetken kokonaan metallisille kaasuturbiineille. (McDonald 2007, 62.) Kuvan 4 superseosten kehityskäyrä osoittaa että seosten kehitys ei kuitenkaan ole pysähtynyt, vaan pikkuhiljaa mennään kohti yhä suurempaa turbiinin materiaalin lämpötilan kestoa ja tätä
kautta kohti suurempaa hyötysuhdetta.
3.2.2
Keraamiset turbiinit
Pienillä painesuhteilla toimivilla rekuperoiduilla mikrokaasuturbiineilla on keraamisten
komponenttien käyttöä pidetty välttämättömänä, jotta 40 %:n terminen hyötysuhde voitaisiin saavuttaa (McDonald 2007, 60-61). Näiden käyttöä on tutkittu jo useita vuosikymmeniä. Kuitenkin tuotantostandardien kehitys ja tavoite keraamisten komponenttien
valmistuksen saattamiseksi taloudellisesti kannattavaksi on edennyt hitaasti. (Walsh ja
Fletcher 2004, 18)
Saavutettavat turbiinin sisääntulolämpötilat voivat olla keraamisilla turbiineilla huomattavasti metallisien turbiinien vastaavia suurempia. Eurooppalaisessa AGATAtutkimusprojektissa selvitettiin mm. keraamisen turbiinin suorituskykyä 60 kW:n mikrokaasuturbiinissa. Tässä ohjelmassa keraamiselle CSN 101 HIPed Si3N4 materiaalista
17
valmistetulle radiaaliturbiinille laskettiin mahdolliseksi turbiinin sisääntulolämpötilaksi
1350 °C, kierrosnopeuden ollessa 125000 rpm. (Lundberg ja Ferrato 1999, 3.)
AGATA-tutkimusprojektissa käytetyn turbiinimateriaalin AC Cerama CSN 101 HIPed
Si3N4 valmistaja on ruotsalainen AC Cerama AB. Materiaalin suorituskykyä kuvaavat
tiedot on esitetty taulukossa 1.
Taulukko 1. Materiaalin AC Cerama CSN 101 HIPed Si3N4 ominaisuudet. (Lundberg ja Ferrato, 1999.
s.3)
Tiheys
Kovuus
Taivutuslujuus (huoneen lämpötila)
Weibullin kerroin (huoneen lämpötila)
Taivutuslujuus (1350 °C)
Murtolujuus
Lämpölaajenemiskerroin
Lämmönjohtumiskerroin
3,22 g/cm^3
19 GPa
955 Mpa
28
630 MPa
6 MPa√m
3,7∙10^-6 K^-1 (20-800 °C)
40 W/mK
Taulukossa 1 esitetyt materiaalin ominaisuudet lupaavat kyseiselle materiaalille hyvää
soveltuvuutta korkean lämpötilan kaasuturbiineissa. Lisäksi materiaalilla on mahdollista
saada monimutkaisia muotoja alhaisin kustannuksin. (Lundberg ja Ferrato 1999, 3).
Piinitridin (Si3N4) tavoin myös piikarbidia (SiC) on tutkittu mikroturbiinin materiaalina.
Molemmilla materiaaleilla on suuri lujuus korkeissa lämpötiloissa, pieni tiheys ja hyvä
hapettumiskesto. Molempien materiaalien käyttöä on kuitenkin rajoittanut teknologian
puute valmistaa virheettömiä kappaleita kohtuulliseen hintaan. Suurimpana mahdollisena lämpötilana piikarbidille pidetään noin 1500 °C. (Epstein 2004, 207.)
3.2.3
Pinnoitetut turbiinit
Korkeampaa turbiinin sisääntulolämpötilaa tavoiteltaessa voidaan turbiini pinnoittaa
materiaalilla, joka fysikaalisesti ja kemiallisesti suojaa itse pohjamateriaalia (Kim et al.
2009, 129). Pinnoite toimii myös eristeenä pohjamateriaalin ja kuuman savukaasuvirtauksen välillä. Esimerkiksi lentokoneissa käytettyjen suuremman kokoluokan ja suuremmalla turbiinin sisääntulolämpötilalla toimivien kaasuturbiinien turbiinin siivekkeiden pohjamateriaalin lämpötilaa on onnistuttu laskemaan jopa useita satoja asteita pinnoituksen avulla. (Varis ja Vuoristo 2015, 9.)
18
TBC-menetelmä (engl. Thermal barrier coating) on suojaavaan oksidi kalvoon perustuva menetelmä. Erityisesti yttriumilla stabiloitu zirkonia (YSZ) yhdistettynä komponentteihin (Ni(Pt)Al) tai (MCrAlY) on laajalti käytetty suuremman kokoluokan kaasuturbiinien komponenttien superseosten suojauksessa korkeissa lämpötiloissa. (Kim et al.
2009, 129.)
Perinteisen TBC-pinnoitteen valmistus vaatii kuitenkin erityisen laitteiston ja pinnoitus
on integroitu yleensä jo osien valmistusprosessin yhteyteen. Se vie aikaa ja on kustannuksiltaan melko kallista. Tämän vuoksi on tutkittu myös toisenlaisia vaihtoehtoja luoda
superseoksen päälle suojaava kerros. Kuvan 6 aksiaaliturbiinin siivet on päällystetty
mikrokaasuturbiinin käydessä, lisäämällä polttoaineeseen (nestekaasu) organopiiyhdistettä, tetraetyyliortosilikaattia (TEOS, SiO4(C2H5)4) ja polttamalla se yhdessä polttoaineen kanssa polttokammiossa. (Kim et al. 2009, 129.)
Kuva 6. TEOS:lla päällystetty mikrokaasuturbiinin aksiaaliturbiini. Altistusaikana 8 tuntia ja
TEOS:n massaosuudella 2,3 % nestekaasun ja TEOS:n yhteismassasta. (Kim et al. 200, 131.)
Kuvassa 6 näkyvän sinertävän oksidisuojauskerroksen paksuus on turbiinin kärjessä noin 7 μm,
painepuolella noin 14 μm ja imupuolella noin 12 μm. Kuvassa 7 on esitetty Inconel 713 superseoksen, sekä TEOS:lla päällystettyjen saman materiaalin koekappaleiden hapettumistesti
1050 °C:n lämpötilassa.
19
Kuva 7. Inconel 713 -superseosksen ja TEOS:lla päällystettyjen saman materiaalin koekappaleiden hapettumistesti 1050 °C:n lämpötilassa. Kuvassa TB04 on 4 tunnin altistusajalla TEOS:lle ja TEOS:n osuudella 5,4 m-% TEOS:n ja nestekaasun kokonaismassasta. TB08:lla vastaavat luvut ovat 8 tuntia ja 2,3 m-%. (Kim et al. 2009, 130-131.)
Kuvasta 7 nähdään Inconel 713 -materiaalin voimakas hapettuminen ilman suojausta
1050 °C:n lämpötilassa jo 500 tunnin altistusajalla. Sen sijaan päällysteen avulla tämä
hapettumisongelma on onnistuneesti poistettu ja materiaalin mahdollista käyttölämpötilaa nostettu. Kuvassa näkyvä koekappaleiden painon lisääntyminen selittyy suojaavan
oksidikerroksen muodostumisella.
20
4
REKUPERAATTORI
Rekuperaattori on nykyisin välttämätön osa mikrokaasuturbiineissa, mikäli halutaan
päästä siedettäviin hyötysuhteisiin. Nykyisten metallisten rekuperaattorien kustannukset
edustavat noin 30 %:a koko laitteen kustannuksista (McDonald 2007, 67). Toisaalta
rekuperaattorin vaikutus koko laitteen hyötysuhteeseen on suuri (Visser et al. 2011, 2).
Tämän johdosta täytyy erityisesti rekuperaattorin rakennetta ja materiaaleja suunniteltaessa pohtia, minkälaisella rekuperaattorikokoonpanolla saadaan mahdollisimman hyvä
suorituskyky mahdollisimman kustannustehokkaasti.
4.1
Rekuperaattorityypit
Mikrokaasuturbiinissa toimivaksi rekuperaattoriksi on vaihtoehtoina useita erilaisia
lämmönsiirrintyyppejä. Kolme erityyppistä vastavirtauslämmönsiirrintä on todettu erittäin kelvollisiksi pienissä kaasuturbiineissa. Nämä ovat primääripinta- (engl. primarysurface), levy-ripa (engl. plate-fin) ja putkilämmönsiirrin. (McDonald 2003, 1467.)
Primääripintalämmönsiirrin on käytetyin malli lämmönsiirtimistä pienissä kaasuturbiineissa. Sen on katsottu antavan parhaan yhdistelmän painoon ja hyötysuhteeseen. (Visser et al. 2011, 5.) Tärkeimmiksi ominaisuuksiksi mainitaan myös 100 %:n tehoinen
lämpöpinta, jossa lämpimän ja kylmän kanavien pinnat ovat vaikutuksissa vain keskenään, ei ympäristön kanssa, sekä kustannuksiltaan tehokas rakenne. (McDonald 2003,
1467.)
Myös levy-ripa -malli nähdään potentiaaliseksi vaihtoehdoksi tulevaisuuden huipputehokkaana rekuperaattorina (McDonald 2003, 1467). Kuitenkin primääripintarekuperaattori on nähty parempana vaihtoehtona, sen kustannustehokkuuden ja keveyden vuoksi.
Suorituskyvyltään levy-ripa rekuperaattoria vastaava primääripintainen rekuperaattori
voi olla tilavuudeltaan ja massaltaan noin 50 % pienempi, lisäksi valmistussprosessin
katsotaan olevan yksinkertaisempi ja halvempi. (Traverso 2005, 2070.)
Putkilämmönsiirtimen etuina ovat puolestaan kyky sietää korkeitakin paineita, korkea
suorituskyky ja rakenteellinen eheys syklisissä kierroissa, sekä pieni paino. Se kiinnos-
21
taa tutkijoita erityisesti korkeamman painesuhteen ICR-kaasuturbiineiden rekuperaattoreina. (McDonald 2003, 1468)
Myös myötävirtaan toimivia lämmönsiirtimiä on pohdittu rekuperaattoreiksi. Myötävirtaan toimivalla lämmönsiirtimellä saataisiin materiaalin keskilämpötila pienemmäksi,
mutta haittavaikutuksena on rekuperaatioasteen ja tätä kautta koko prosessin hyötysuhteen heikkeneminen. Myös jäähdytysilman käyttö rekuperaattorin kuumimman osan
materiaalin jäähdytykseen on mahdollista. Tällä jäähdytyksellä on kuitenkin prosessin
hyötysuhdetta heikentävä vaikutus. (Sommers et al. 2010, 1278.)
4.2
Rekuperaattorin sisääntulolämpötila
Mikäli turbiinin sisääntulolämpötilaa onnistutaan kasvattamaan, kasvaa myös turbiinin
jälkeinen, rekuperaattorin menevän pakokaasun lämpötila. Turbiinin jälkeinen ja rekuperaattoriin lähtevän pakokaasun lämpötila
voidaan laskea yhtälöllä (3) (Backman ja
Larjola 2002, 23).
(3)
,missä
Turbiinin sisääntulolämpötila [K]
Paine turbiinin jälkeen [Pa]
Paine turbiinia ennen [Pa]
Aineen kaasuvakio [kJ/kgK]
Fluidin ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa [kJ/kgK]
Turbiinin polytrooppinen hyötysuhde
Kuvassa 8 on esitetty yhtälöllä (3) lasketut turbiinin ulostulolämpötilat turbiinin sisääntulolämpötilan funktiona. Parametrina kuvaajassa toimii painesuhde, jolle on valittu
arvoiksi 4 ja 6. Kuvasta voidaan nähdä painesuhteen voimakas vaikutus turbiinin ulostulolämpötilaan. Korkeammalla painesuhteella aikaansaadaan siis matalampi turbiinin
ulostulolämpötila, jolloin rekuperaattorissakin voidaan käyttää yksinkertaisempia ja
halvempia materiaaleja.
22
Turbiinin ulostulolämpötila [°C]
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Turbiinin sisääntulolämpötila [°C]
(p4/p3)=4
(p4/p3)=6
Kuva 8. Turbiinin ulostulolämpötilan riippuvuus turbiinin sisääntulolämpötilasta painesuhteilla
4 ja 6.
4.3
Rekuperaatioaste
Korkean lämpötilan keston lisäksi, täytyy huomioida myös rekuperaattorin rekuperaatioaste. Rekuperaatioaste tarkoittaa rekuperaattorin hyötysuhdetta. Se määritetään yhtälöllä (4) (Moran ja Shapiro 2006, 401).
(4)
,missä
ilman entalpia rekuperaattorin jälkeen [kJ/kg]
ilman entalpia kompressorin jälkeen [kJ/kg]
pakokaasun entalpia rekuperaattoria ennen [kJ/kg]
Tyypillisesti rekuperaattoriaste
26).
saa arvon väliltä 0,6-0,9 (Backman ja Larjola 2002,
23
4.4
Rekuperaattorin materiaalivalinnat
Rekuperaattorissa kuuman puolen materiaalin korkeimman siedettävän lämpötilan määrää materiaalin ominaisuudet kyseisessä lämpötilassa. Tällaisia ominaisuuksia ovat materiaalin lujuus, korroosion ja hapettumisen vastustuskyky sekä virumisenkestävyys.
(Pilavanchi 2002, 2009.)
Mikrokaasuturbiinien rekuperaattorit voidaan jakaa materiaalivalintojen perusteella metallisiin ja keraamisiin rekuperaattoreihin. Nykyiset kaupallisissa mikrokaasuturbiineissa käytettävät rekuperaattorit ovat poikkeuksetta metallisia, mutta keraamisille rekuperaattoreille on tulevaisuudessa arvioitu olevan suuri rooli. (McDonald 2007, 68.)
Lämmönsiirtimen lämpöpintojen päällystäminen pohjamateriaalia suojaavalla päällysteellä ei onnistu aivan yhtä ongelmitta, kuin turbiinin siipien tapauksessa. Pinnoitteella
pystytään suojaamaan itse pinta korroosiolta, mutta pienellä lämmönjohtumiskertoimella pinnoite muodostaa lämmönsiirtoa heikentävän termisen vastuksen pintaan, jolloin
myös itse rekuperaattorin suorituskyky heikkenee. (Sommers et al. 2010, 1278.)
4.4.1
Metalliset rekuperaattorit
Perinteisissä rekuperaattoreissa lämpöpintojen materiaalina on tyypillisesti käytetty
ruostumatonta terästä. Tällaista ruostumattomasta teräksestä koostuvaa rekuperaattoria
voi kuitenkin käyttää vain, jos rekuperaattoriin tulevien pakokaasujen lämpötila on alle
650 °C. (Pilavanchi 2002, 2009.) Kuitenkin jo 650 °C lämpötilassa on liiallista virumista ja voimakasta hapettumista ollut havaittavissa. Suurimmat ongelmat ovat materiaalin
levyissä ja kalvoissa vesihöyryn aiheuttama kiihtynyt hapettuminen, viruminen, sekä
repeily ja halkeilu. Virumismuodonmuutoksen johdosta virtaavien fluidien reitit voivat
pienentyä, repeily tai halkeilu aiheuttaa puolestaan laitteeseen vuotoja. (Maziasz et. al
2006, 3622.)
Korkeampiin lämpötiloihin mentäessä kysymykseen tulevat superseokset. Alle 800 °C
lämpötiloissa kaupallisista materiaaleista Inconel 625 ja HR120 nähdään sopivina materiaaleina. Yli 800 °C lämpötiloihin soveltuvaksi materiaaliksi on pohdittu laatua
HR214. Tämä materiaali on kuitenkin melko kallis vaihtoehto.
24
Inconel 625 on laajalti kokeiltu mikrokaasuturbiinien rekuperaattoreissa. Seoksella on
todella hyvä hapettumisen kestävyys ja lujuus korkeissakin lämpötiloissa ja kosteissa
olosuhteissa. (Maziasz et. al. 2006, 3623.) Ylärajana materiaalin käytölle rekuperaattorissa on pidetty noin 800 °C. Tämän materiaalin ongelmina ovat kuitenkin olleet huomattavasti suuremmat kustannukset ja muokattavuus verratessa ruostumattomaan teräkseen. (Visser et al. 2011, 5.)
Myös materiaali HR120 on ollut mielenkiinnon kohteena. Sen vastustuskyky hapettumista vastaan on erinomainen, mutta kustannukset ovat olleet vain hiukan Inconel 625
matalammat. Inconel 625 on puolestaan tätä materiaalia vahvempi (Maziasz et. al, 2006,
s.3623).
Taulukossa 2 on vertailtu suuntaa antavasti levy-ripa -rekuperaattorin soveltuvien materiaalien vetolujuutta, virumisenlujuutta, hapettumisen sietoa ja ripojen aalloitusta, kun
lämpötila nousee. Taulukossa on esitetty myös materiaalin kustannusten vertailu kehittyneisiin ferriittisiin ruostumattomiin teräksiin verrattuna. Nämä teräkset ovat kehitettyjä materiaalilaadusta SUS430 ja ne ovat kehitettyjä käytettäväksi 650 °C:n lämpötilaalueella. (Takase et al. 2002, 1013-1014.) Huomattavaa on, että vertailu on tehty 2000luvun alkupuolella. Myöskin taulukossa esitetyt eri metalliryhmät sisältävät paljon eri
laatuja joilla voi olla kyseisissä ominaisuuksissa paljonkin eroja. Taulukko antaa kuitenkin hyvän yleiskuvan eri metalliryhmien tyypillisistä ominaisuuksista korkeissa lämpötiloissa
25
Taulukko 2. Levy-ripa -rekuperaattorin materiaalin ominaisuudet, kun sisääntulolämpötilaa
kasvatetaan. Hintavertailu tehty SUS430 -materiaalista kehitettyjä 650 °C:n lämpötiloja hyvin
kestäviä ferriittejä kohtaan. (Takase et al. 2002, 1314.)
SisääntulolämVeto- Virumis- HapettumiRipojen
HintaMateriaali
pötila [°C]
lujuus
lujuus
sen sieto
aalloitus vertailu
ErinErin500
SUS430, SUH409
omai- Erinomainen
Hyvä
0,6X
omainen
nen
Kehittyneet fer650
Hyvä
Hyvä
Hyvä
Hyvä
X
riitit
TyydytSUS347
Hyvä
Hyvä
Hyvä
1,2X
tävä
800
Hyvä
Hyvä Erinomainen
Kehittyneet ausTyydyttävä
2,1X
Tyydytteniitit
Huono Tyydyttävä
tävä
950
TyydytNikkelipohjaiset
Huono
Hyvä
Huono
15X
tävä
>950
Keraamit
Hyvä
Hyvä
Hyvä
?
4.4.2
Keraamiset rekuperaattorit
Tutkimustyötä keraamisten rekuperaattoreiden parissa on tehty jo useita vuosikymmeniä. Teknologian kehitys on kuitenkin ollut hidasta ja vaatimatonta, ja kehitystyötä on
syytä jatkaa. (McDonald 2007, 67.) Keraamisten materiaalien käytöllä rekuperaattorin
lämpöpintojen materiaalina on kaksi pääetua metalleihin verrattuna; huomattavasti suurempi lämmönsietokyky ja korroosion vastustuskyky (Sommers et al. 2010, 1278).
Keraamisista materiaaleista piikarbidi (SiC) nähdään erittäin lupaavana materiaalina
keraamisissa lämmönsiirtimissä. Sen hajoamislämpötila on noin 2500 °C. Tosin piin
(Si) sulamispiste rajoittaa käyttölämpötilan 1425 °C:n alapuolelle. Materiaalilla on hyvä
sieto lämpöshokkeja vastaan, se säilyttää taivutusvetolujuutensa korkeissakin lämpötiloissa ja on kemiallisesti inertti. (Sommers et al. 2010, 1278.)
Myös piinitridin (Si3N4) käyttöä korkean lämpötilan lämmönsiirtimissä on pohdittu.
Materiaalilla on erittäin hyvä lujuus ja virumisvastus korkeissakin toimintalämpötiloissa. Yli 1000 °C:n lämpötiloissa sillä on kuitenkin todettu hapettumisongelmia. (Sommers et al. 2010, 1278.)
26
Kompaktin, suuren lämpötilan keraamisen rekuperaattorin, jonka rakenne soveltuu massatuotantoon ja jonka valmistuskustannukset ovat alhaiset, uskotaan olevan avainasemassa tulevaisuuden seuraavan sukupolven mikrokaasuturbiineissa (McDonald 2007,
68).
27
5
LÄMMÖNJOHTUMINEN MIKROKAASUTURBIINEISSA
Kaasuturbiineilla lämmönjohtumisella kuumien ja kylmien komponenttien välillä, sekä
laitteesta ympäristöön on merkitystä laitteesta saatavaan tehoon ja hyötysuhteeseen.
Mikrokaasuturbiinin pienen koon, mutta kuitenkin suurien lämpötilaerojen johdosta
komponenttien välillä, nämä häviöt korostuvat. Lämpöhäviöihin vaikuttavat sekä laitteen materiaalivalinnat, että laitteen rakenteelliset ratkaisut. (Verstraete ja Bowkett,
2014, 445, 448.)
Turbiinista johtumalla poistuva lämpö vähentää siitä saatavaa energiaa. Toisaalta turbiinin suurempi lämmönjohtavuus viilentää itse turbiinia lämpövirralla kompressoriin ja
laitteen vaippaan, mikä mahdollistaa suuremman turbiinin sisääntulolämpötilan ja tätä
kautta parantaa laitteen termistä hyötysuhdetta. (Verstraete ja Bowkett 2006, 447.) Keraamisilla turbiineilla lämpötilan kesto on niin suuri, että tätä jäähdytystä ei välttämättä
tarvita, jolloin pieni lämmönsiirtokerroin on etu. Metalleilla asia on huomattavasti monimutkaisempi.
Mikrokaasuturbiinin komponenttien materiaalina on käytetty useita eri metalleja ja metalliyhdisteitä, myös keraameja kuten piikarbidi ja piinitridit. Käytetyn materiaalin
lämmönjohtavuutta kuvaa lämmönjohtavuuskerroin , jonka suuruudella on merkitystä
lämmönjohtumiseen komponenttien sisällä ja komponenttien välillä. (Verstraete ja
Bowkett 2006, 447.) Materiaalin lämmönjohtuvuuskerroin
ei kuitenkaan ole vakio
vaan riippuu toimintalämpötilasta.
Turbiinin ja kompressorin materiaalien lisäksi myös akselin lämmönjohtavuuden kasvu
aiheuttaa merkittävän vaikutuksen mikrokaasuturbiinin turbiinin ja kompressorin polytrooppisiin hyötysuhteisiin
(Verstraete ja Bowkett 2006, 447).
Laitteen vaipan lämmönjohtavuudella on todettu olevan pienempi vaikutus kuin itse
roottorikokoonpanon välisellä lämmönjohtavuudella. Vaikutuksen osuus kuitenkin kasvaa mentäessä edelleen pienemmän lämmönjohtavuuden roottorikokoonpanoihin.
(Verstraete ja Bowkett 2006, 447.)
28
Mitä pienempitehoisiin mikrokaasuturbiineihin mennään, sitä suurempi on lämmönjohtavuuden vaikutus laitteen suorituskykyyn. Lisäksi suuremmilla turbiinin sisääntulolämpötiloilla vaikutus edelleen kasvaa. (Verstraete ja Bowkett 2006, 448-449.) Mikäli
tulevaisuudessa päästään edelleen korkeampiin turbiinin sisääntulolämpötiloihin mikrokaasuturbiineissa voi siis komponenttien materiaalivalinnoissa myös lämmönjohtavuus
saada yhä enemmän huomiota.
29
6
YHTEENVETO
Työssä tavoitteena on pohtia mikrokaasuturbiinin turbiinin ja rekuperaattorin mahdollisia materiaalivaihtoehtoja ja näiden materiaalivalintojen vaikutusta koko laitteen suorituskykyyn.
Turbiinin ja rekuperaattorin materiaalivalinnoilla voidaan vaikuttaa merkittävästi mikrokaasuturbiinin sähköntuotannon hyötysuhteeseen, käyttöikään ja luotettavuuteen. Potentiaalia hyötysuhteen kasvattamiseen on turbiinin sisääntulolämpötilan kasvattamisessa. Sisääntulolämpötilan kasvaessa kuitenkin turbiinin ja rekuperaattorin olosuhteet
muuttuvat niissä käytetyille materiaaleille haastaviksi, jolloin täytyy etsiä materiaaleja
jotka omaavat korkeassa lämpötilassa mm. riittävän vetolujuuden ja virumisen kestävyyden, sekä riittävän hapettumisen ja korroosion sietokyvyn.
Turbiinin sisääntulolämpötilan kasvattaminen materiaalivalintojen kautta on monimutkainen ja ongelmallinen prosessi. Kasvattamalla turbiinin sisääntulolämpötilaa, kasvaa
myös rekuperaattoriin menevän kaasuvirtauksen lämpötila. Mikäli lämpötila kasvaa
suuremmaksi kuin rekuperaattorin lämpöpintojen korkein mahdollinen sietolämpötila,
joudutaan rekuperaattorin materiaalikin vaihtamaan. Tämä puolestaan tuo omat haasteensa, sillä nykyisin rekuperaattori on hyvin kallis osa mikrokaasuturbiinia ja edustaa
noin 30 % koko laitteen valmistuskustannuksista.
Turbiinissa mahdollisia materiaaleja ovat ns. superseokset ja keraamit. Lisäksi turbiinin
materiaali on mahdollista päällystää itse pohjamateriaalia suojaavalla kerroksella. Tällä
hetkellä korkeimpana mahdollisena turbiinin sisääntulolämpötilana on superseoksille
pidetty 1100 °C:tta, vaikkakin kaupallisissa alle 100 kW:n mikrokaasuturbiineissa sisääntulolämpötila ovat jääneet noin 950 °C:een. Keraameilla sisääntulolämpötila on
mahdollista nostaa useita satoja asteita korkeammaksi, mutta keraamisista materiaaleista
ei ainakaan vielä pystytä osia valmistamaan taloudellisesti kannattavasti. Toisin sanoen
tällöin tuotetun yksikkötehon hinta on liian suuri.
Mahdollisia rekuperaattorin materiaaleja ovat ruostumaton teräs, superseokset ja keraamit. Rekuperaattorin sisääntulolämpötila määrää, minkälaisia materiaaleja lämpöpin-
30
noilla on mahdollista käyttää. Rekuperaattorin sisääntulolämpötila on tiiviissä suhteessa
turbiinin sisääntulolämpötilaan, sekä painesuhteeseen. Nykyisin käytetään metallisia
rekuperaattoreita, mutta tulevaisuudessa keraaminen kompakti rekuperaattori on nähty
osana mikrokaasuturbiineja.
Materiaalivalinnat vaikuttavat myös lämmönsiirtoon laitteen komponenttien välillä.
Tämä ilmiö korostuu, mitä pienempiin roottorikokoonpanoihin ja korkeampiin turbiinin
sisääntulolämpötiloihin mennään. Erilaiset metallit ja keraamit omaavat hyvin erilaisen
lämmönsiirtokyvyn. Toisaalta turbiinilta akselin kautta kompressorille johtuva lämpövirta voi olla hyötysuhdetta laskeva häviö, toisaalta turbiinin mahdollista sisääntulolämpötilaa kasvattava hyöty.
Nykyisin keraamisilla materiaaleilla sekä turbiinissa, että rekuperaattorissa, nähdään
erittäin suuri potentiaali tutkijoiden keskuudessa. Nykyistä 30 %:n hyötysuhdetta pidetään mahdollisena nostaa metallisia materiaaleja käyttäen 35 %:iin, mutta mikäli halutaan päästä 40 %:n hyötysuhteeseen, joudutaan etsimään keinoja valmistaa keraamisia
materiaaleja matalammin kustannuksin.
LÄHDELUETTELO
Adachi Sadamasa et al. 2006. Emissions in combustion of lean methane-air and biomasair mixtures supported primary hot burned gas in a multi-stage gas turbine combustor.
Proceedings of the Combustion Institute 31. Elsevier. Japan.
Ansaldo Energia. [valmistajan www-sivuilla]. [viitattu 13.10.2015]. Saatavissa:
http://www.ansaldoenergia.it/easynews/newsleggi.asp?newsid=11
Backman Jari ja Larjola Jaakko 2002. Kaasuturbiinikytkennät ja niiden laskenta. Lappeenranta: Lappeenrannan teknillinen yliopisto, teknillinen tiedekunta. ISBN 951-764682-8.
Capstone Turbine Corporation. [valmistajan www-sivuilla]. [viitattu 13.10.2015]. Saatavissa: http://www.capstoneturbine.com/products.
Donachie Matthew J. ja Donachie Stephen J. 2002. SUPERALLOYS A Technical
Guide. Second Edition. ASM International. ISBN 978-0-87170-749-9.
Epstein Alan H. 2004. Millimeter-scale, micro-electro-mechanical systems gas turbine
engines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. Vol. 126.
Fu Lei et al. 2014. Experimental validation of an integrated optimization design of a
radial turbine for micro gas turbines. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering). Kiina. ISSN 1673-565X
Kim Min Tae, Kim Doo Soo ja Oh Won Young 2009. In-Situ Deposition of Silica Layers during the Operation of a Micro-Gas Turbine and Their Effect on the Oxidation of
Superalloy Blades. Metals and Material International. Vol 16. Korea.
Lundberg Robert ja Ferrato Marc. 1999. Ceramic component for AGATA. ASME Paper
99-GT-392. USA
Maziasz P.J. et al. 2006. Advanced alloys for compact, high-efficiency, hightemperature heat exchangers. International Journal of Hydrogen Energy 32. Elsevier.
USA.
McDonald Colin F. ja Wilson David Gordon 1995. The utilization of recuperated and
regenerated engine cycles for high-efficiency gas turbines in the 21st century. Applied
Thernal Engineering 16. Elsevier. USA.
McDonald Colin F. 2003. Recuperator considerations for future higher efficiency
microturbines. Applied Thermal Engineering 23. Elsevier. USA.
McDonald Colin F. ja Rodgers Colin 2007. Small recuperated ceramic microturbine
demonstrator concept. Applied Thermal Engineering 28. Elsevier. USA.
Moran Michael J. ja Shapiro Howard N. 2006. Fundamentals of Engineering
Thermodydamics. 5th edition. England: John Wiley & Sons Ltd. ISBN 978-0-47003037-0.
Motiva 2010. Selvitys hajautetusta ja paikallisesta energiantuotannosta erilaisilla asuinalueilla. [Viitattu 13.10.2015]. Saatavissa:
Vartiainen Eero et al. 2002. Hajautettu energiantuotanto: teknologia, polttoaineet,
markkinat ja CO2-päästöt. Helsinki: Gaia Group Oy. ISBN 952-91-4465-2.
Nickel Institute. Engineering Properties of ALLOY 713C. [viitattu 14.10.2015] Saatavissa:
http://www.nickelinstitute.org/~/media/Files/TechnicalLiterature/Alloy713C_337_.ashx
Pilavachi P.A. 2002. Mini- and micro-gas turbines for combined heat and power. Applied Thermal Engineering 22.
Reed Roger C. 2006. The superalloys: fundamentals and applications. Cambridge University Press. ISBN-13 978-0-521-85904-2. USA.
Sakakida Masaru et al. 1994. 300 kW class ceramic gas turbine development (CGT
301). The American Society of Mechanical Engineers 94-GT-125.
Sato Akihiro et al. 2008. A 5th Generation SC Superalloy with Balanced High Temperature Properties and Processability. Superalloys 2008.
Sommers et al. 2010. Ceramics and ceramic matrix composites for heat exhangers in
advanced thermal systems -review. Applied Thermal Engineering 30.
Takase Kenjiro, Furukava Hideo ja Nakano Kimiaki 2002. A preliminary study of an
inter-cooled and recuperative microgasturbine below 300 kW. ASME paper GT-200230403.
Traverso Alberto ja Massardo Aristide F. 2005. Optimal design of compact recuperators
for microturbine application. Applied Thermal Engineering 25. Elsevier. Italy.
Varis Tommi ja Vuoristo Petri 2015. Terminen ruiskutus – menetelmät, pinnoitteet ja
teolliset sovellukset. Teräsrakenneyhdistys.
Verstraete Dries ja Bowkett Carlos 2014. Impact of heat transfer on the performance of
micro gas turbines. Applied Energy 138. Elsevier. Australia.
Visser W. P. J. Shakariyants S. A. ja Oostveen M. 2011. Development of a 3 kW
Microturbine for CHP Applications. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. Vol. 133.
Walsh P.P ja Fletcher P. 2004. Gas Turbine Performance. Second Edition. UK: Blackwell Science Ltd a Blackwell Publishing company. ISBN 0-632-06434-X.